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Meccanismo di resistenza alla pugnalata in materiali anti-stabbing flessibili

A differenza dei materiali anti-stabbing rigidi, i materiali anti-stabbing flessibili sono in genere composti da più strati di compositi ad alte prestazioni. Durante la penetrazione da parte di una lama, il tessuto composito all'interno del materiale flessibile resiste a pugnalare utilizzando l'attrito, la deformazione a trazione e altri meccanismi, dissipando in definitiva l'energia dello strumento di accoltellamento e bloccandosi in modo sicuro la punta.

Il processo di resistenza alla stab prevede le seguenti fasi:

• Contatto iniziale:Quando la lama contatta per la prima volta il tessuto, esercita una forza che interagisce con la struttura del tessuto. I tessuti, i tessuti a maglia o non tessuti mostrano tutti una certa tenuta, generando deformazioni per impedire un'ulteriore penetrazione fino a quando il materiale non raggiunge il limite di deformazione.
• Forze di attrito e taglio:Il bordo della lama, con una certa larghezza, crea forze di trazione lungo il piano orizzontale del tessuto e le forze di taglio sul piano verticale. Le forze di trazione fanno sì che le fibre si spostano, allargando la fessura, mentre le forze di taglio portano alla rottura delle fibre, aumentando ulteriormente l'apertura.
• Penetrazione completa:Sotto l'azione combinata delle forze di trazione e taglio, il tessuto viene infine trafitto.

Per essere efficaci, i materiali anti-stabbing devono resistere sia alle forze di trazione che a taglio, con la resistenza al taglio che è il fattore dominante.

Strutture di base di materiali anti-stabbing a aramidi flessibili

1.Tessuto unidirezionale aramidico:
Il tessuto unidirezionale è caratterizzato da fibre dritte e non convertite allineate in un'unica direzione. Non ha punti interlaccianti in superficie, consentendo alle onde di stress di propagare senza riflesso, consentendo un rapido assorbimento di energia. Il tessuto unidirezionale aramidico è un materiale flessibile comunemente laminato ortogonalmente (0 °/90 °) con adesivi per migliorare la resistenza di pugnalata. Gli adesivi servono a riparare le fibre in posizione e ridurre la profondità di penetrazione.
Ad esempio, Wu Zhongwei et al. Tessuto unidirezionale aramidico modificato con resina poliuretanica a base bagnata per sviluppare materiali anti-stabbing flessibili. Hanno ottimizzato la resistenza di pugnalata regolando le quantità, la pressione e la temperatura delle materie prime, ottenendo una densità superficiale di 7,65 kg/m², soddisfacendo gli standard di resistenza alla pugnalata GA68-2008. Tuttavia, a causa dell'uso di modificatori adesivi, il materiale risultante aveva una scarsa flessibilità, rendendolo inadatto a indumenti anti-stabbing flessibili.

2.Tessuto non tessuto aramidico:
A differenza dei tessuti unidirezionali, non tessutitessuti aramidiFunzionalità di fibre orientate casualmente, fornendo proprietà isotropiche e strutture più dense. Queste qualità offrono una migliore resistenza contro oggetti acuti. I tessuti non tessuti sono anche più semplici da produrre, ecologici ed efficienti dal punto di vista energetico.
Ad esempio, Li TT e colleghi miscelevano le fibre di kevlar con fibre di polipropilene in un rapporto di peso di 70:30, usando punzonatura ad ago e pressione a caldo per creare tessuti non tessuti compositi Kevlar/PP. A una temperatura di pressatura a caldo di 170 ° C, il materiale ha dimostrato un'eccellente resistenza alla pugnalata. Tuttavia, la disposizione delle fibre interne sciolte e la forza di legame debole dei tessuti non tessuti limitano la loro resistenza di taglio complessiva se utilizzata in modo indipendente.

3.Tessuto aramidico:
I tessuti aramidici sono formati mediante ordito e filati di trama, creando una struttura stretta che impedisce efficacemente la penetrazione.

• Weave semplice: presenta filati paralleli e strutture strette, offrendo una forza equilibrata.
• Twill Weave: utilizza filati più grossolani e strutture più libere, in genere per tessuti pesanti.
• Weave Satin: ha meno punti interlaccianti, rendendo le fibre incline a scivolare in vigore.
  Mentre i tessuti intrecciati forniscono un incidenza stretta, una volta che la lama taglia attraverso l'ordito o i filati di trama, l'apertura si allarga in modo significativo, riducendo la resistenza di pugnalata.

4.Tessuto a maglia aramidica:
I tessuti a maglia aramidici sono costituiti da loop e Galles. Quando una lama penetra, i loop scivolano, stringendo loop adiacenti e aumentando l'attrito tra le fibre, ostacolando così un'ulteriore penetrazione. Durante questo processo di serraggio, una certa energia di impatto viene assorbita. Una volta che i loop sono completamente tensi, il tessuto raggiunge uno stato "auto-bloccati", prevenendo un'ulteriore penetrazione.
Li ning e colleghi hanno studiato il fenomeno "auto-blocco" in tessuti a maglia, scoprendo che le strutture delle costole offrivano la migliore resistenza di pugnalata, seguita da mute trapunte e maglieria. La sequenza di strutture a strati ha anche influenzato le prestazioni, con le strutture a costola posizionate sullo strato più esterno che ottengono risultati ottimali.

Modifica dei materiali anti-stabbing flessibili aramidici

3.1 Modifica del rivestimento superficiale

Particelle di rivestimento o pellicole sottili sulla superficie delle fibre aramidiche migliorano l'attrito tra fibre, migliorando la loro resistenza allo pugnalato sfocando le lame metalliche affilate attraverso l'abrasione. Ad esempio, Nayak R et al. particelle di carburo di boro applicato per modificaretessuto Aramid 1414superfici, raggiungendo una forza di resistenza di pugnalata di 14 N a una profondità di penetrazione di 17 mm rispetto a soli 4 N per il tessuto non rivestito. La migliore resistenza di penetrazione è stata attribuita all'ulteriore effetto protettivo fornito dal rivestimento. Allo stesso modo, Javaid Mu et al. ha studiato il meccanismo anti-stabbing dei tessuti rivestiti di SiO₂. I tessuti non rivestiti hanno mostrato interazioni isolate tra filati e lama, portando a un facile taglio. Al contrario, i rivestimenti Sio₂ aumentavano l'attrito tra i filati, riducendo lo spostamento del filo e migliorando la resistenza allo pugnalato.

I rivestimenti in ceramica dura combinati con tessuti ad alta resistenza impediscono anche la penetrazione da impatti esterni. Ad esempio, Gadow R et al. rivestimenti in ceramica in metallo e ossido applicato a tessuti aramidici usando tecniche di spruzzatura termica. I test di pugnalata statica hanno rivelato prestazioni anti-stabbing significativamente migliorate per tessuti con rivestimenti in ceramica dura. Le resine organiche sono state anche impiegate per le modifiche al rivestimento. Ad esempio, Zhuang Q et al. Compositi di resina aramidica preparati, riducendo la profondità di penetrazione da 37,3 mm a 4,8 mm, migliorando significativamente le prestazioni anti-stabbing. L'effetto è stato ulteriormente amplificato con compositi a più livelli.

Le nanoparticelle inorganiche e le resine organiche sono spesso combinate sinergicamente per migliorare le prestazioni anti-stabbing dei materiali flessibili aramidi. Ad esempio, Xia Minmin et al. scoperto che i tessuti aramidici 1414 con rivestimento in carburo di boro/resina epossidica aumentavano la forza di lacrime da 50 N a circa 300 N. Rubin W et al. Fibre aramidiche rivestite con carburo di silicio in una matrice di resina estere in vinile, ottenendo prestazioni anti-stabbing ottimali con contenuto di carburo di silicio al 20% in peso. Allo stesso modo, Xiayun Z et al. Sviluppato materiali anti-stabbing flessibili rivestendo tessuti aramidi con poliuretano termoplastico/silice/fluido che prepara il taglio (STF). I tessuti rivestiti con una soluzione contenente silice fumato al 3% hanno dimostrato un'alta resistenza ai coltelli e alle forze di puntura.

3.2 Modifica di impregnazione del fluido a taglio (STF)

STF è un fluido non newtoniano composto da fasi e media dispersi. Quando le fibre di aramidi modificate con STF sono soggette a forze esterne, la viscosità dell'STF aumenta nettamente, comportandosi come una protezione solida e fornendo anti-stabbing. Una volta rimossa la forza, la viscosità ritorna al suo stato iniziale simile a un liquido, offrendo flessibilità ai materiali protettivi. Li Danyang et al. Materiali anti-stabbing flessibili preparati impregnando tessuti aramidi con STF. Hanno trovato miglioramenti significativi nelle prestazioni anti-stabbing in varie strutture di tessuto, con maggiori miglioramenti osservati con un aumento dei punti di intrecciamento del tessuto.

Il tipo, la dimensione delle particelle, il contenuto e la modifica della superficie delle nanoparticelle nell'STF influenzano anche le prestazioni del tessuto. Ad esempio, Li et al. Utiliva particelle di siO₂ con diametri di 12 nm e 75 nm come fasi disperse, insieme a nanotubi di carbonio a parete multipla (MWCNT) per preparare i compositi STF/MWCNT. I tessuti aramidi impregnati di particelle di siO₂ 12 nm hanno mostrato una resistenza al coltello superiore rispetto a quelle con particelle da 75 nm. Zhang Wangyang et al. ha scoperto che i tessuti aramidici puri hanno sopportato un carico di 73 N a una profondità di pugnalata di 30 mm, mentre i tessuti impregnati di STF contenenti al 30% SIO₂ e il 70% di PEG hanno raggiunto la più alta resistenza anti-stattina in condizioni statiche.

Nonostante l'efficacia delle modifiche STF, possono ridurre la traspirabilità e la permeabilità all'umidità, influendo sul comfort durante l'usura.

3.3 Modifica composita in resina

I materiali anti-stabbing compositi a aramide-resina combinano l'alta resistenza e il modulo delle fibre aramidiche con le caratteristiche multifunzionali delle matrici di resina. Mayo JB et al. ha scoperto che le resine termoplastiche (polietilene, polimetil metacrilato e polietilene-metilmetilmetacrilato) hanno migliorato significativamente le prestazioni anti-stabbing delle fibre di kevlar JSP 706. Regolando i tipi di resina e gli spessori, sono stati ottenuti tessuti con proprietà anti-stabbing variabili.

Liu Yulong ha combinato nanoparticelle di siO₂ con resina Surlyn per la modifica composita delle fibre aramide. Con un contenuto di resina del 33%in peso, erano necessari 36 strati per resistere a 24 J di energia, mentre erano necessari solo 30 strati con un contenuto di resina del 44%in peso. Kim H et al. ha osservato che il polietilene a bassa densità (LDPE) ha migliorato il processo anti-penetrazione dei tessuti di kevlar in modo più efficace rispetto alla resina epossidica, sebbene le prestazioni di LDPE fossero limitate alle fasi iniziali della penetrazione.

Il metodo di impilamento dei tessuti di resina e aramide influenza anche le prestazioni. Ad esempio, Chen Li e Wang Botao hanno applicato il poliuretano ai tessuti a trama aramidica usando rivestimento bagnato, rivestimento di trasferimento e metodi di rivestimento diretto a secco. Tra questi, il metodo di rivestimento di trasferimento ha fornito le migliori prestazioni anti-stabbing.

3.4 Modifica composita in fibra

La miscelazione di fibre aramidiche con altre fibre che utilizzano tecniche di filo-spun core è un altro metodo per produrre materiali anti-stabbing flessibili ad alte prestazioni. Ad esempio, Tien Dt et al. hanno studiato tessuti in tessuto realizzati con filati aramid-cotton-spoun con diverse densità di superficie. Quando il rapporto di peso di aramide e cotone era 1: 2,5 e le densità di ordito e trama erano rispettivamente di 16,4 fili/cm e 8,4 fili/cm

Il numero e la disposizione degli strati di fibra influenzano anche le prestazioni. Du Lingling et al. ha studiato l'influenza degli strati di impilamento sulle proprietà anti-stabbing dei tessuti realizzati con filati di base aramidici e filamenti in acciaio inossidabile. Hanno scoperto che aumentando il numero di strati ha migliorato la resistenza al coltello.

Conclusione

Attualmente, i tessuti, i tessuti a maglia, i tessuti non tessuti e unidirezionali realizzati con fibre di aramidi sono utilizzati per produrre materiali anti-stallo flessibili. I metodi di modifica come i compositi di resina, i rivestimenti di superficie e l'impregnazione STF migliorano le prestazioni dei prodotti tessili ad alte prestazioni, guidando i progressi nei materiali anti-stallo flessibili aramidici. Tuttavia, i costi elevati e il comfort ridotto a causa di determinati metodi di finitura rimangono sfide.

Per saperne di più: Stato di ricerca e prospettiva di tessuto anti-taglio Come la fibra Uhmwpe